500 k V双回路直线转角塔输电线路的防雷保护分析

周志成，赵贤根，杨 英，刘 洋，路永玲，杨 瑞

（1.江苏省电力公司电力科学研究院，南京 211103；2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074）

国内外的运行经验表明绕击是造成500k V超高压输电线路雷击跳闸的主要原因［1－3］。以江苏省超高压输电线路为例，仅500 k V兴斗5294线的56号杆塔就于2009-03-21、2010-07-22和 2011-07-18连续三年遭雷电绕击而导致生线路跳闸，严重影响系统的安全稳定运行。

500 k V兴斗5294线的56号杆塔为双回直线转角塔（型号：SZJ2）。直线转角塔的绝缘子串一般偏离垂直线较大的角度，该偏角的存在，导致直线转角塔的耐雷性能与直线塔有所区别，尤其是雷电绕击性能。直线转角塔绝缘子串偏离垂直线角度是线路建成后因挂设导线的力学平衡关系而自然形成的角度，在线路和杆塔设计之初，并不能准确地给出直线转角塔的绝缘子串偏角，故无法准确评估其耐雷性能，导致线路建成后可能会留有隐患。

直线转角塔已经大量应用于江苏省超高压输电线路，但目前针对直线转角塔的防雷保护分析，国内外还未见诸报道。因此，针对已投入使用的直线转角塔线路段，根据绝缘子串偏离垂直线的实际角度，系统评估直线转角塔输电线路的绕击耐雷性能，对保障输电线路的安全稳定运行具有重要的意义。

目前，用于评价线路绕击耐雷性能的方法主要有规程法［4］，电气几何模型［5－8］，先导发展模型［9－11］和绕击概率模型［12，13］。其中，电气几何模型法（EGM）将雷电的放电特性同线路的结构尺寸联系起来，通过击距描述导体的引雷能力，从物理上很好地解释了线路屏蔽失效的原因，其结果与近二三十年的运行结果基本符合，因而得到广泛应用［14］。本文将采用电气几何模型，研究杆塔呼高和绝缘子串偏角对双回直线转角塔输电线路绕击耐雷性能的影响，分析双回直线转角塔输电线路绕击闪络跳闸故障，并提出相应的防雷改造措施。

1 计算分析条件

计算工具采用华中科技大学自主开发的输电线路防雷分析系统（LPTL V1.2）［15］。LPTL V1.2内置了电气几何模型分析方法，可以考虑输电线路杆塔的具体结构、不同地形地貌，同时可以选择计算方法的不同参数。

本文采用电气几何模型时选择的计算条件如下：

击距公式采用IEEE委员会于1997年推荐的公式［16］r＝a·Ib，其中a＝10，b＝0.65。

雷电先导对地击距与对导线击距的比值取0.8，雷电先导对地线击距与对导线击距的比值取1。

计算考虑雷电入射角，先导入射角概率密度函数如式（1）所示，其中m和km按照日本学者的推荐分别取3和0.75。

2 500 kV直线转角塔输电线路绕击耐雷性能

2.1 线路导、地线坐标计算

直线转角塔输电线路转角如图1所示，其中α为线路转角角度。实际工程中α较小，江苏省超高压输电线路资料统计结果表明，直线转角塔输电线路转角均不超过20°，一般小于10°。

图1 直线转角塔处线路转角示意图

因为线路走向变化，直线转角塔绝缘子串会出现一定的倾斜，倾斜的程度与线路转角大小、线路档距等因素相关，本报告中用绝缘子串偏角θ来描述绝缘子串的倾斜程度，如图2所示，根据工程经验，绝缘子串偏角θ一般取20°～60°。

图2 直线转角塔绝缘子串偏角示意

EGM计算分析输电线路的绕击耐雷性能，需要图2-1中导、地线在输电线路断面的坐标。根据杆塔尺寸和绝缘子串长度计算的导、地线坐标位于杆塔截面，在转角塔处杆塔截面与线路断面的夹角为线路转角的1／2，即α／2。杆塔截面坐标投影至线路断面处，需要乘以cos（α／2）。由于直线转角塔输电线路的转角α比较小，取最大值α＝20°，此时cos（α／2）＝0.98，因此直线转角塔输电线路绕击耐雷性能分析可以采用导、地线在杆塔截面处的坐标。

2.2 绕击耐雷性能分析

本文选取三种典型的双回直线转角塔，SZJ1、SZJ2和SZJ16，杆塔结构如图3所示。基本仿真参数如下：地线型号LGJ-95／553，直径16.0 mm；导线型号4×LGJQ-400／35，分裂间距450 mm，子导线直径27.36 mm；绝缘子型号2× 28×XWP2-160，计算时绝缘子串串长取4.8 m，最小闪络距离取4.34 m。取雷电日40天，地闪密度2.78次／（100 km2·年），雷电流幅值概率密度分布可计算为

其中，a取31，b取2.6。

图3 双回直线转角塔结构图

为研究杆塔呼高和绝缘子串偏角对直线转角塔输电线路绕击耐雷性能的影响，本文计算中呼高取27、30、33、36、39、42 m，绝缘子串偏角θ取 20、30、40、50、60°，计算结果如图4所示。

图4 直线转角塔输电线路绕击耐雷性能计算结果

计算结果表明，SZJ1、SZJ2和SZJ16三种双回路直线转角塔输电线路的绕击跳闸率均随杆塔呼高增加而增加，但是随着绝缘子串偏角变化的规律并不相同，其中，SZJ1和SZJ16两种直线转角塔输电线路的绕击跳闸率随绝缘子串偏角增加而增大，而SZJ2直线转角塔输电线路的绕击跳闸率随绝缘子串偏角增加先减少后增大，在40°左右达到最小值，这是因为绝缘子串偏角增大的过程中，直线转角塔输电线路内侧导线保护角增加，绕击跳闸率增加，线路外侧导线保护角减小，绕击跳闸率降低，增加和降低的相对速度决定了输电线路总跳闸率的变化趋势。对比三种双回路直线转角塔输电线路的绕击跳闸率，SZJ2直线转角塔的输电线路绕击跳闸率远高于其他两种，防雷改造中需要重点关注SZJ2直线转角塔输电线路。

3 典型500 kV直线转角塔输电线路绕击跳闸事故分析

绕击耐雷性能分析结果表明，SZJ2直线转角塔输电线路绕击跳闸率偏高，线路实际运行经验也证明这一点。江苏省500 k V兴斗5294线的56号杆塔，型号SZJ2，呼高33 m，杆塔如图5所示，该直线转角塔输电线路于2009-03-21 07：31、2010-07-22 17：52和2011-7-18 17：50发生三次绕击闪络跳闸，两次绕击跳闸故障均发生在线路转角内侧B相。

采用第1节介绍的EGM模型及其参数，对56号杆塔的绕击耐雷性能进行分析，分析结果如表1所示。结果表明，56号杆塔IIB相导线的绕击率最高，绕击跳闸率最大，与实际运行情况一致。

图5 500 k V兴斗5294线的56号杆塔

表1 56号杆塔绕击耐雷性能分析结果

4 防雷保护分析

表2 绕击跳闸率与杆塔呼高、保护角的关系

仿真结果与运行经验表明，SZJ2直线转角塔输电线路绕击跳闸率较高。为降低SZJ2直线转角塔线路绕击跳闸风险，本文分析了减小保护角对改善其绕击耐雷性能的影响。表2给出了不同呼高的SZJ2直线转角塔线路的绕击跳闸率与线路保护角的关系，根据国家电网公司发布的《110（66）k V～500 k V架空输电线路管理规范》，500 k V绕击跳闸率小于0.126次／100 km·年时，风险等级为A，为将SZJ2直线转角塔线路的绕击跳闸风险限制在A等级以下，本文给出了不同呼高情况下保护角的推荐值，如表3所示。

表3 保护角推荐值

5 结论

（1）本文针对SZJ1、SZJ2和SZJ16共3种典型直线转角塔输电线路，采用电气几何模型法（EGM）分析了呼高和绝缘子串偏角对其绕击耐雷性能的影响，结果表明：3种直线转角塔输电线路的绕击跳闸率均随呼高增加而变大；SZJ1和SZJ16直线转角塔输电线路的绕击跳闸率随绝缘子串偏角增加而增大，但SZJ2直线转角塔输电线路的绕击跳闸率随绝缘子串偏角增加先减少后增大；SZJ2直线转角塔输电线路的绕击跳闸率偏高，需要采用防雷电绕击措施，以保证线路的安全运行。

（2）利用电气几何模型法（EGM）开展江苏省500 k V兴斗5294线的56＃杆塔两次绕击跳闸事故分析，计算结果与运行情况一直，验证分析模型和导地线坐标处理方法的合理性，能够使直线转角塔输电线路防雷设计和运行更具针对性和科学性。

（3）给出不同呼高SZJ2直线转角塔输电线路的保护角推荐值，为江苏电网500 k V双回路直线转角塔线路的防雷改造提供指导。

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